基于无人机辅助的反向散射通信网络中协作传输机制研究

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随着无线通信技术的不断发展,接入网络的设备数目呈爆炸性增长。传感器等无线设备受电池体积的限制,能量有限。传统更换电池的方式将给大规模部署的设备造成极高的维护成本。有研究者提出了反向散射通信网络,使用射频(Radio Frequency,RF)信号传输信息,避免了大功率元件的使用,显著降低了电路功耗。同时,反向散射通信也存在着数据速率低、通信距离短等关键问题亟待解决。近年来,基于无人机辅助无线通信引起广泛关注。由于其部署灵活、与地面用户具有良好的视距链路和可控制的移动性等优点,可以实现空中基站或移动中继功能。无人机在反向散射通信网络中也具有巨大的应用潜力,既可以作为数据收集器,也可以作为RF射频信号源。无人机与反向散射通信网络相结合,接收机与节点之间的距离可控,既可以服务更多的设备,又可以提高网络的效率以及可靠性。但由于无人机本身的能量受限,如何设计无人机与节点之间的协作机制来提高采集节点信息的效率是无人机辅助反向散射通信网络中待解决的关键问题。围绕该问题,本文展开了研究,基于典型场景分别提出了满足节点传输数据总量和传输数据速率需求的两种协作机制。本文针对节点反向散射传输数据至无人机过程中,无人机不同的数据采集方式影响其与节点间的链路状态以及通信质量的权衡问题,提出了一种面向能效优化的单无人机轨迹优化与资源分配算法。在保证节点所需传输数据总量的前提下,通过将目标区域进行分簇,联合优化无人机的轨迹、每个区域的悬停时间以及每个区域内节点收集能量与传输时间的比例,优化无人机辅助反向散射通信网络的能效。针对所建立的优化问题,本文采用基于分数规划的算法来迭代求解。与已有的两种基准方案相比,仿真结果显示本文所提算法提高了系统的能效。本文针对受双重远近效应影响导致的边缘节点通信质量受限的问题,提出了一种面向吞吐量提升的多无人机协作资源分配机制。受到双重远近效应的影响,远距离的节点很难获得足够的能量,这限制了它们的数据速率。本文将目标区域划分为两个同心圆形区域,并设计两个无人机的协作机制来采集所有节点的数据,其中内圆节点数据由主无人机悬停采集,外圆节点则是由次无人机飞行采集。保证节点传输速率前提下联合优化频谱、时间资源分配、次无人机的飞行轨迹和主无人机的悬停高度优化无人机辅助反向散射通信网络的吞吐量。针对非凸的目标函数,本文采用了基于块坐标下降的算法来迭代求解。与基准悬停方案相比,仿真结果显示本文所提机制提高了系统吞吐量。
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